基于太阳能发电的新型电子信息宣传栏的设计

丁伊博，蔡舰洋，屈靖怡

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

随着社会的不断进步，节约能源和保护环境已经成为人们行事的准则之一。各行各业电子信息材料代替传统的纸质材料已成为时代的潮流。由于传统宣传栏需要浪费大量纸张，不符合可持续发展的基本要求。同时在观感上，相较于电子宣传栏而言，传统宣传栏不满足人们的观感需求，因此逐渐被电子宣传栏所替代。

电子宣传栏造型美观、内容丰富，政府机构可以利用电子宣传栏来宣传国家政策和民政信息，社区等公共场所也可以进行相关通知的发布。除了用于投放传统的公共信息之外，宣传栏还加入了广告宣传功能，商家可以自行购买使用权，从而完成小众信息的传播，促进了宣传栏功能实现多样化。但现有的电子宣传栏结构单一，大多安装在室外，容易粘附灰尘，人工清洁较为困难，并且经过长时间的阳光照射，电子显示屏遭到阳光的侵蚀，影响人们的观看和信息传播效果。本文将介绍一种新型太阳能电子信息宣传栏，通过太阳能发电，同时借助太阳能电池储存的能源进行自动清洁，节省了人力，符合新时代可持续发展的主题。

1 太阳能电子信息宣传栏供电装置系统

1.1 太阳能电池板的工作原理

太阳能电池板是为整个系统提供能源供给的重要组成部分，其本质是一个大型的P-N 结。当太阳光照射到太阳能电池板的表面，在其内部能够形成由空穴和电子进行扩散引发的电场。此时，大量的光子进入到P-N 结当中，在不断运动的过程中形成电子对和空穴对。内部的电子和空穴会反向移动，在太阳能电池板的两侧产生电压差[1]。在形成电压差的情况下，将负载接在电池两侧的电极，便可持续产生直流电，从而实现了太阳能向电能的转换。这个过程充分利用了清洁能源——太阳能，减少了对人工供电的消耗，实现了资源的充分利用。

因为太阳能电池板输出的电压易受到外界环境的影响，无论温度、湿度还是空气中所含有的各种杂质微粒，都会对其产生很大影响，所以太阳能电池板产生的电压相较而言是不稳定的，输出的电流密度大约为21～25 mA/cm2。单个太阳能电池板所发出的直流电压大约为0.5 V，不能满足屏幕显示的供电要求，因此通过串并联将太阳能电池板组合起来使用能够加大供电电池的输出电压，满足供电器件的电能要求。P-N 结原理见图1。

图1 P-N 结原理图

1.2 供电电池的选型

秉持着节约能源的理念，本装置在设计中采用多晶硅太阳能电池进行供电，此类电池的光电转换效率相对较高。多晶硅太阳能电池主体采用钢化玻璃制成，其透光率可达90%，极大程度地提高了光能的转化率。太阳能电池的激活层采用晶体硅层，既能在成本上做到最大限度的节约，又能使晶体硅太阳能电池的稳定性得到保证。多晶硅太阳能电池相较于单晶硅太阳能电池，透光性更强，能够在光电转换的过程中更加满足经济性需求，适用于产品的加工制造[2]。

1.3 光伏控制器的选型

在发电系统中，高速CPU 微处理器和高精度模数（A/D） 转换器是光伏控制器的主要组成部分。通过光伏控制器能够对电池方阵进行控制，从而实现蓄电池为太阳能逆变器负载供电的自动控制[3]，省去了人工对电池充电及更换的过程，极大程度地提高了电能供给的传递效率。光伏控制器不仅能够快速采集光伏系统工作状态信息，而且为评估光伏系统的合理性提供了准确的依据。除此之外，光伏控制器还能够传输通信数据，对系统子站进行集中的管理控制，实现了高效化的信息转换[4]。

1.4 遮阳板选材

为了将装置更加稳固的连接，选用遮阳板来固定装置的太阳能电池板和光伏控制器。同时，能够减少太阳光对装置其他部分的影响，调整太阳光的照射程度，起到较好的降温作用。随着人们对遮阳板要求的不断提高，材料方面主要为塑料、发泡聚丙烯（Expanded Polypropylene，EPP） 材料、聚氨酯（Polyurethane，PU） 发泡材料、纸板材料等，但这些都是传统遮阳板的材料，已经无法满足现代生产的要求。随着科技的发展，目前已经出现了一种汽车液晶遮阳板，但成本价格相较于其他材质而言过高，大多数城市不适用。从综合角度来看，本文选择EPP 作为遮阳板的加工材料。

EPP 是一种高结晶型聚合物复合材料，因其具有环保、抗压、缓冲、隔热等功能，从而成为人们在产品加工时的首选材料。EPP 最大的特点在于其密度相对较低，可以很大程度上减轻遮阳板的质量，方便加工成品的运输。利用EPP 加工的产品具有抗震吸能性、耐热性、耐化学品性、发生形变后恢复率高等优点。EPP 材质的各种指标特性见表1。

表1 EPP 材质的指标特性

2 太阳能电子信息宣传栏屏幕显示装置

为了让接收者能够清楚地观察到宣传栏中的信息，本装置采用发光二极管（Light Emitting Diode，LED） 电子显示屏。LED 电子显示屏是由数十万个半导体LED 像素点[5]均匀排列组成，利用不同材料的颜色差异和感电性特质，制造各种LED 像素点，能够显示不同的颜色，使电子屏幕的视觉观看效果最优化，兼具显示文字、图形、视频、信号等各种信息的强大功能。

显示屏是由数个可组合拼接的显示单元板构成，显示单元板的串并联结合保证了图像信息的完整显示，相较于传统的整体式显示板，经济效益更加突显。主控电路将显示数据存储到帧存储器，同时又输送到数据分配电路，实现了信号高效同步化传输。显示数据通过数据分配电路送到LED 驱动电路，从而在LED 屏幕上显示图像信息，达到最快的信息可视化呈现。本文采用PH16 户外LED 显示屏，性能参数见表2。

表2 LED 显示屏指标推荐参数

3 太阳能电子信息宣传栏控制系统

3.1 太阳能发电组件控制系统的构成

太阳能发电组件控制系统主要由蓄电池、显示屏、光伏电池组件、上位机和控制器5 个部分构成，其结构见第72 页图2。光伏电池能够将太阳能转化为电能，其中一部分储存在蓄电池中，作为装置运行能源供给，而另一部分可以直接为控制器和负载供电，实现了能源的双向同步利用。上位机部分通过以太网与电子显示屏通信，利用高效的信息传输，进行监控和故障诊断，以便于系统的保护和维修。控制器是整个系统的核心，能够实现最大功率跟踪点算法和电子显示屏的驱动等功能。

图2 新型太阳能电子宣传栏控制系统结构图

3.2 清洁控制系统的工作原理

在清洁控制系统中，为了能够实现清洁棉连接部分的上下运动，因此采用了电磁铁吸合的方式。在不需要清洁时，通过外加电压的作用，电磁铁能够强力吸合，实现装置的待机准备；当装置开始工作时，通过拉动手柄（控制开关） 断开控制电路，清洁棉则随着移动板在外加弹簧的作用下，进行上下往复的运动[6]，对宣传栏进行清洁；当工作一段时间后，随着弹簧的弹性形变完全恢复，磁铁则再次吸合，完成清洁的工作。电磁铁与供电系统和显示屏共同组成电子宣传栏，电子信息宣传栏模型见图3。

图3 电子信息宣传栏模型图

3.3 LED 显示屏控制电路的运行

LED 显示屏包括控制系统和显示系统两部分。本文将MCS-51 单片机作为控制微处理机。控制系统包括了单片机的程序存储器、数据存储器以及数据通信的串行接口或并行接口、LED 显示的扫描电路等[7]。显示电路包括LED 功率驱动电路和数据移位锁存[8]。本文采用数据移位锁存和功率驱动集成的芯片TPIC6595，每个输出端口通过150 mA 的电流，满足LED 显示屏的要求，图4 为MCS-51 单片机引脚图。

图4 MCS-51 单片机引脚图

运用16 行点阵显示屏，以1/16 扫描的方法进行分析。在单片机系统中，把输出口的低4 位作为扫描行进行输出，经过线路转换来选通扫描行驱动晶体管。将扫描的数据写入并串转换集成电路74HC589， 串行送出给串并转换集成电路TPIC6595，完成一行数据后，锁存数据并选通行扫描晶体管。在下一次进入扫描中断程序时，能够扫描下一行的数据。由TPIC6595 和74HC589 数据移位信号的特点可知，两种芯片都是时钟上升沿触发移位，可以把TPIC6595 的时钟信号反相后作为74HC589 的移位脉冲，74HC589 送出数据时利用时钟脉冲的下降沿移位，而TPIC6595 接收数据时 利用时钟脉冲的上升沿移位，从而实现了对大于16 行的显示系统进行扫描显示。

4 太阳能电子信息宣传栏前景分析

4.1 经济效益

新型太阳能电子信息宣传栏采用太阳能电池板与蓄电池配合的方式为电子显示屏提供电力支持，可以有效解决装置使用时的用电能耗，降低宣传栏的经济成本。同时此装置安装有清洁结构，该结构可清洁电子显示屏表面的灰尘，避免显示屏粘附灰尘影响宣传效果，节省了人工清洁费用。采用的多晶硅太阳能电池是目前应用最广的太阳能电池，在生产成本和使用性能上具有较大优势。

4.2 适用场所

新型太阳能电子信息宣传栏采用太阳能发电[1]，节省了开支以及人力资源消耗的成本，同时解决了因供电和电路接触不良等原因断电造成的电子信息宣传栏的信息传播失效等问题。不仅能够为政府机关以及城镇社区提供便利的信息宣传途径，还适合企业的广告投放，实现人人共享的信息传播链。同时，为响应国家节能减排的号召，这种宣传栏能够配合许多节能环保宣传活动一起出现在人们的视野中，向市民宣传可持续发展的意识，共同保护人类的家园。

4.3 市场竞争力

目前，市场上的宣传栏大多数为传统宣传栏，无法满足信息的及时更替，同时浪费大量纸张用于打印宣传信息，在市场上不具备强大的竞争力。即使有电子宣传栏的存在，由于宣传栏的显示屏过大，需要24 h 维持供电，电力消耗巨大，同时需要匹配相应的工人进行定期的清洁，不满足低耗节能的基本原则。新型太阳能电子信息宣传栏克服了以上两个缺点，不仅无需进行纸张替换，而且减少了电能的消耗以及实现了宣传栏自动清洁，符合低碳生活的标准，使产品本身在市场中更加具有竞争力。

5 结束语

本文通过分析新型太阳能电子信息宣传栏的工作原理，提出了将太阳能与电子宣传栏相结合的产品设计理念。通过利用太阳能进行电能的供给，并设计自动清洁功能，完成了对传统宣传栏的改进，为人们的生活和信息的传播提供了极大的便利。